Muskelarbeit in beruflichen Aktivitäten

In den Industrieländern sind noch etwa 20 % der Erwerbstätigen in Tätigkeiten beschäftigt, die Muskelkraft erfordern (Rutenfranz et al. 1990). Die Zahl der konventionellen schweren körperlichen Tätigkeiten hat abgenommen, andererseits sind viele Tätigkeiten statischer, asymmetrischer und stationärer geworden. In Entwicklungsländern ist Muskelarbeit in allen Formen immer noch weit verbreitet.

Muskelarbeit bei beruflichen Tätigkeiten kann grob in vier Gruppen eingeteilt werden: schwere dynamische Muskelarbeit, manuelle Materialhandhabung, statische Arbeit und repetitive Arbeit. Schwere dynamische Arbeitsaufgaben finden sich beispielsweise in der Forstwirtschaft, der Landwirtschaft und dem Baugewerbe. Die Materialhandhabung ist beispielsweise in der Pflege, im Transportwesen und in der Lagerhaltung üblich, während statische Belastungen in der Büroarbeit, der Elektronikindustrie und bei Reparatur- und Wartungsarbeiten auftreten. Repetitive Arbeitsaufgaben finden sich beispielsweise in der Lebensmittel- und Holz verarbeitenden Industrie.

Es ist wichtig zu beachten, dass manuelle Materialhandhabung und repetitive Arbeit grundsätzlich entweder dynamische oder statische Muskelarbeit oder eine Kombination aus diesen beiden sind.

Physiologie der Muskelarbeit

Dynamische Muskelarbeit

Bei dynamischer Arbeit kontrahieren und entspannen sich aktive Skelettmuskeln rhythmisch. Der Blutfluss zu den Muskeln wird erhöht, um den Stoffwechselanforderungen gerecht zu werden. Die erhöhte Durchblutung wird durch erhöhtes Pumpen des Herzens (Herzzeitvolumen), verringerte Durchblutung in inaktiver Bereiche wie Nieren und Leber und eine erhöhte Anzahl offener Blutgefäße in der arbeitenden Muskulatur erreicht. Herzfrequenz, Blutdruck und Sauerstoffentzug in der Muskulatur steigen linear zur Arbeitsintensität. Auch die Lungenventilation wird durch tieferes Atmen und erhöhte Atemfrequenz erhöht. Der Zweck der Aktivierung des gesamten Herz-Kreislauf-Systems besteht darin, die Sauerstoffzufuhr zu den aktiven Muskeln zu verbessern. Der bei schwerer dynamischer Muskelarbeit gemessene Sauerstoffverbrauch zeigt die Intensität der Arbeit an. Der maximale Sauerstoffverbrauch (VO_2max) gibt die maximale Kapazität der Person für aerobes Training an. Sauerstoffverbrauchswerte können in Energieverbrauch umgerechnet werden (1 Liter Sauerstoffverbrauch pro Minute entspricht ca. 5 kcal/min oder 21 kJ/min).

Bei dynamischer Arbeit, wenn die aktive Muskelmasse kleiner ist (wie in den Armen), sind die maximale Arbeitsleistung und der maximale Sauerstoffverbrauch geringer als bei dynamischer Arbeit mit großen Muskeln. Bei gleicher externer Arbeitsleistung ruft dynamische Arbeit mit kleinen Muskeln höhere kardiorespiratorische Reaktionen hervor (z. B. Herzfrequenz, Blutdruck) als Arbeit mit großen Muskeln (Abbildung 1).

Abbildung 1. Statische versus dynamische Arbeit    

Statische Muskelarbeit

Bei statischer Arbeit erzeugt die Muskelkontraktion keine sichtbare Bewegung, wie beispielsweise in einem Glied. Statische Arbeit erhöht den Druck innerhalb des Muskels, was zusammen mit der mechanischen Kompression die Blutzirkulation teilweise oder vollständig blockiert. Die Zufuhr von Nährstoffen und Sauerstoff zum Muskel und der Abtransport von Stoffwechselendprodukten aus dem Muskel werden behindert. So ermüden Muskeln bei statischer Arbeit leichter als bei dynamischer Arbeit.

Das auffälligste Kreislaufmerkmal statischer Arbeit ist ein Anstieg des Blutdrucks. Herzfrequenz und Herzzeitvolumen ändern sich nicht wesentlich. Ab einer bestimmten Belastungsintensität steigt der Blutdruck in direktem Zusammenhang mit der Intensität und Dauer der Belastung. Darüber hinaus erzeugt statisches Training mit großen Muskelgruppen bei gleicher relativer Anstrengungsintensität eine stärkere Blutdruckreaktion als Training mit kleineren Muskeln. (Siehe Abbildung 2)

Abbildung 2. Das erweiterte Spannungs-Dehnungs-Modell modifiziert nach Rohmert (1984)

Prinzipiell ist die Regulation von Belüftung und Kreislauf bei statischer Arbeit ähnlich wie bei dynamischer Arbeit, jedoch sind die Stoffwechselsignale der Muskulatur stärker und bewirken ein anderes Reaktionsmuster.

Folgen muskulärer Überlastung bei beruflichen Aktivitäten

Der Grad der körperlichen Belastung, die ein Arbeiter bei Muskelarbeit erfährt, hängt von der Größe der arbeitenden Muskelmasse, der Art der Muskelkontraktionen (statisch, dynamisch), der Intensität der Kontraktionen und individuellen Eigenschaften ab.

Wenn die Muskelbelastung die körperlichen Fähigkeiten des Arbeiters nicht übersteigt, passt sich der Körper an die Belastung an und die Erholung erfolgt schnell, wenn die Arbeit beendet wird. Ist die Muskelbelastung zu hoch, kommt es zu Ermüdung, verminderter Leistungsfähigkeit und verlangsamter Erholung. Spitzenbelastungen oder längere Überlastungen können zu Organschäden (in Form von Berufs- oder arbeitsbedingten Erkrankungen) führen. Andererseits kann Muskelarbeit bestimmter Intensität, Häufigkeit und Dauer auch zu Trainingseffekten führen, während andererseits eine zu geringe muskuläre Beanspruchung zu Detrainingseffekten führen kann. Diese Beziehungen werden durch die sog erweitertes Spannungs-Dehnungs-Konzept entwickelt von Rohmert (1984) (Abbildung 3).

Abbildung 3. Analyse akzeptabler Workloads

Im Allgemeinen gibt es wenig epidemiologische Beweise dafür, dass Muskelüberlastung ein Risikofaktor für Krankheiten ist. In körperlich anstrengenden Berufen, insbesondere bei älteren Arbeitnehmern, treffen jedoch ein schlechter Gesundheitszustand, eine Behinderung und eine subjektive Überlastung am Arbeitsplatz aufeinander. Darüber hinaus hängen viele Risikofaktoren für arbeitsbedingte Muskel-Skelett-Erkrankungen mit verschiedenen Aspekten der muskulären Arbeitsbelastung zusammen, wie z. B. Kraftaufwand, schlechte Arbeitshaltungen, Heben und plötzliche Spitzenbelastungen.

Eines der Ziele der Ergonomie war es, akzeptable Grenzen für Muskelarbeitsbelastungen zu bestimmen, die zur Vorbeugung von Ermüdung und Störungen angewendet werden könnten. Während die Prävention chronischer Wirkungen im Mittelpunkt der Epidemiologie steht, befasst sich die Arbeitsphysiologie meist mit kurzfristigen Wirkungen, also Ermüdung bei Arbeitsaufgaben oder während eines Arbeitstages.

Akzeptable Arbeitsbelastung bei schwerer dynamischer Muskelarbeit

Die Bewertung der akzeptablen Arbeitsbelastung bei dynamischen Arbeitsaufgaben basiert traditionell auf Messungen des Sauerstoffverbrauchs (oder entsprechend des Energieverbrauchs). Der Sauerstoffverbrauch lässt sich relativ einfach im Feld mit tragbaren Geräten (z. B. Douglas-Tasche, Max-Planck-Respirometer, Oxylog, Cosmed) messen oder aus Herzfrequenzmessungen abschätzen, die z. B. am Arbeitsplatz zuverlässig durchgeführt werden können , mit dem SportTester-Gerät. Die Verwendung der Herzfrequenz bei der Schätzung des Sauerstoffverbrauchs erfordert, dass sie individuell gegen den gemessenen Sauerstoffverbrauch in einem Standardarbeitsmodus im Labor kalibriert wird, dh der Untersucher muss den Sauerstoffverbrauch des einzelnen Subjekts bei einer gegebenen Herzfrequenz kennen. Herzfrequenzaufzeichnungen sollten mit Vorsicht behandelt werden, da sie auch von Faktoren wie körperlicher Fitness, Umgebungstemperatur, psychischen Faktoren und der Größe der aktiven Muskelmasse beeinflusst werden. Daher können Herzfrequenzmessungen zu Überschätzungen des Sauerstoffverbrauchs führen, ebenso wie Sauerstoffverbrauchswerte zu Unterschätzungen der globalen physiologischen Belastung führen können, indem sie nur den Energiebedarf widerspiegeln.

Relative aerobe Belastung (RAS) ist definiert als der Bruchteil (ausgedrückt in Prozent) des Sauerstoffverbrauchs eines Arbeiters, gemessen am Arbeitsplatz, relativ zu seiner VO_2max im Labor gemessen. Wenn nur Herzfrequenzmessungen verfügbar sind, kann eine gute Annäherung an RAS erfolgen, indem ein Wert für den prozentualen Herzfrequenzbereich (% HF-Bereich) mit der sogenannten Karvonen-Formel wie in Abbildung 3 berechnet wird.

VO_2max wird normalerweise auf einem Fahrradergometer oder Laufband gemessen, bei denen der mechanische Wirkungsgrad hoch ist (20-25%). Wenn die aktive Muskelmasse kleiner oder die statische Komponente höher ist, wird VO_2max und die mechanische Effizienz wird geringer sein als im Fall von Übungen mit großen Muskelgruppen. Beispielsweise hat sich herausgestellt, dass bei der Sortierung von Postpaketen die VO_2max der Arbeiter betrug nur 65 % des auf einem Fahrradergometer gemessenen Maximums, und die mechanische Effizienz der Aufgabe betrug weniger als 1 %. Wenn Richtlinien auf dem Sauerstoffverbrauch basieren, sollte der Testmodus im Maximaltest so nah wie möglich an der realen Aufgabe sein. Dieses Ziel ist jedoch schwer zu erreichen.

Gemäß der klassischen Studie von Åstrand (1960) sollte die RAS während eines achtstündigen Arbeitstages 50 % nicht überschreiten. In ihren Experimenten nahm bei einer Arbeitsbelastung von 50 % das Körpergewicht ab, die Herzfrequenz erreichte nicht den stabilen Zustand und das subjektive Unbehagen nahm im Laufe des Tages zu. Sie empfahl eine RAS-Grenze von 50 % für Männer und Frauen. Später fand sie heraus, dass Bauarbeiter während eines Arbeitstages spontan ein durchschnittliches RAS-Niveau von 40 % (Bereich 25-55 %) wählten. Mehrere neuere Studien haben gezeigt, dass die akzeptable RAS unter 50 % liegt. Die meisten Autoren empfehlen 30-35 % als akzeptables RAS-Niveau für den gesamten Arbeitstag.

Ursprünglich wurden die akzeptablen RAS-Werte für reine dynamische Muskelarbeit entwickelt, die im realen Arbeitsleben selten vorkommt. Es kann vorkommen, dass akzeptable RAS-Werte beispielsweise bei einer Hebeaufgabe nicht überschritten werden, aber die lokale Belastung des Rückens kann akzeptable Werte erheblich überschreiten. Trotz ihrer Einschränkungen wurde die RAS-Bestimmung in großem Umfang zur Bewertung der körperlichen Belastung in verschiedenen Berufen eingesetzt.

Neben der Messung oder Abschätzung des Sauerstoffverbrauchs stehen auch andere nützliche feldphysiologische Methoden zur Quantifizierung der körperlichen Belastung oder Beanspruchung bei schwerer dynamischer Arbeit zur Verfügung. Bei der Abschätzung des Energieverbrauchs können Beobachtungstechniken eingesetzt werden (z. B. mit Hilfe des Edholm-Skala) (Edholm 1966). Bewertung der empfundenen Anstrengung (RPE) gibt die subjektive Anhäufung von Müdigkeit an. Neue ambulante Blutdrucküberwachungssysteme ermöglichen detailliertere Analysen der Kreislaufreaktionen.

Akzeptable Arbeitsbelastung bei der manuellen Materialhandhabung

Die manuelle Materialhandhabung umfasst Arbeitsaufgaben wie das Heben, Tragen, Schieben und Ziehen verschiedener externer Lasten. Der größte Teil der Forschung in diesem Bereich konzentrierte sich auf Probleme im unteren Rücken bei Hebeaufgaben, insbesondere aus biomechanischer Sicht.

Für Hebeaufgaben wurde ein RAS-Wert von 20-35 % empfohlen, wenn die Aufgabe mit einem individuellen maximalen Sauerstoffverbrauch verglichen wird, der aus einem Fahrradergometertest ermittelt wurde.

Empfehlungen für eine maximal zulässige Herzfrequenz sind entweder absolut oder bezogen auf die Ruheherzfrequenz. Die absoluten Werte für Männer und Frauen liegen bei 90-112 Schlägen pro Minute bei kontinuierlicher manueller Materialhandhabung. Diese Werte entsprechen in etwa den empfohlenen Werten für die Steigerung der Herzfrequenz über Ruhewerte, also 30 bis 35 Schläge pro Minute. Diese Empfehlungen gelten auch für schwere dynamische Muskelarbeit für junge und gesunde Männer und Frauen. Wie bereits erwähnt, sollten Herzfrequenzdaten jedoch mit Vorsicht behandelt werden, da sie auch von anderen Faktoren als der Muskelarbeit beeinflusst werden.

Die auf biomechanischen Analysen basierenden Richtlinien für die akzeptable Arbeitsbelastung bei der manuellen Materialhandhabung umfassen mehrere Faktoren, wie z. B. Gewicht der Last, Handhabungshäufigkeit, Hubhöhe, Abstand der Last vom Körper und körperliche Eigenschaften der Person.

In einer großangelegten Feldstudie (Louhevaara, Hakola und Ollila 1990) wurde festgestellt, dass gesunde männliche Arbeiter während einer Schicht 4 bis 5 kg schwere Postpakete ohne Anzeichen objektiver oder subjektiver Ermüdung handhaben konnten. Der größte Teil des Umschlags fand unter Schulterhöhe statt, die durchschnittliche Umschlagshäufigkeit lag unter 8 Paketen pro Minute und die Gesamtzahl der Pakete lag unter 1,500 pro Schicht. Die mittlere Herzfrequenz der Arbeiter betrug 101 Schläge pro Minute und ihr mittlerer Sauerstoffverbrauch 1.0 l/min, was 31 % RAS bezogen auf das Fahrradmaximum entsprach.

Auch Beobachtungen von Arbeitshaltungen und Krafteinsatz, z. B. nach der OWAS-Methode (Karhu, Kansi und Kuorinka 1977), Ratings der empfundenen Anstrengung und ambulante Blutdruckmessungen sind geeignete Methoden zur Belastungsabschätzung im manuellen Materialhandling. Mittels Elektromyographie lassen sich lokale Belastungsreaktionen beispielsweise der Arm- und Rückenmuskulatur beurteilen.

Akzeptable Arbeitsbelastung für statische Muskelarbeit

Statische Muskelarbeit ist vor allem bei der Aufrechterhaltung der Arbeitshaltung erforderlich. Die Dauer der statischen Kontraktion hängt exponentiell von der relativen Kontraktionskraft ab. Das bedeutet beispielsweise, dass bei einer statischen Kontraktion von 20 % der Maximalkraft die Standzeit 5 bis 7 Minuten beträgt und bei einer Relativkraft von 50 % etwa 1 Minute.

Ältere Studien haben gezeigt, dass keine Ermüdung auftritt, wenn die relative Kraft unter 15 % der Maximalkraft liegt. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass die akzeptable relative Kraft spezifisch für den Muskel oder die Muskelgruppe ist und 2 bis 5 % der maximalen statischen Kraft beträgt. Diese Kraftgrenzen sind jedoch in praktischen Arbeitssituationen schwierig anzuwenden, da sie elektromyographische Aufzeichnungen erfordern.

Für den Praktiker stehen weniger Feldmethoden zur Quantifizierung der Belastung bei statischen Arbeiten zur Verfügung. Es gibt einige Beobachtungsmethoden (z. B. die OWAS-Methode), um den Anteil schlechter Arbeitshaltungen zu analysieren, dh Haltungen, die von normalen Mittelstellungen der Hauptgelenke abweichen. Blutdruckmessungen und Bewertungen der wahrgenommenen Anstrengung können nützlich sein, während die Herzfrequenz nicht so anwendbar ist.

Akzeptable Arbeitsbelastung bei sich wiederholender Arbeit

Repetitive Arbeit mit kleinen Muskelgruppen ähnelt statischer Muskelarbeit im Hinblick auf Kreislauf- und Stoffwechselreaktionen. Typischerweise kontrahieren die Muskeln bei sich wiederholender Arbeit über 30 Mal pro Minute. Wenn die relative Kontraktionskraft 10 % der Maximalkraft übersteigt, beginnen Ausdauer und Muskelkraft abzunehmen. Es gibt jedoch große individuelle Unterschiede in den Ausdauerzeiten. Beispielsweise variiert die Ausdauerzeit zwischen zwei und fünfzig Minuten, wenn sich der Muskel 90 bis 110 Mal pro Minute bei einem relativen Kraftniveau von 10 bis 20 % zusammenzieht (Laurig 1974).

Es ist sehr schwierig, endgültige Kriterien für repetitive Arbeit festzulegen, da selbst sehr leichte Arbeiten (wie bei der Verwendung einer Mikrocomputermaus) zu einem Anstieg des intramuskulären Drucks führen können, der manchmal zu Muskelfaserschwellungen, Schmerzen und Verringerung führen kann an Muskelkraft.

Wiederholte und statische Muskelarbeit führt bei sehr niedrigen relativen Kraftniveaus zu Ermüdung und reduzierter Arbeitskapazität. Daher sollten ergonomische Eingriffe darauf abzielen, die Anzahl sich wiederholender Bewegungen und statischer Kontraktionen so weit wie möglich zu minimieren. Für die Belastungsbewertung bei repetitiven Arbeiten stehen nur sehr wenige Feldmethoden zur Verfügung.

Prävention von Muskelüberlastung

Es gibt relativ wenige epidemiologische Beweise dafür, dass Muskelbelastung gesundheitsschädlich ist. Arbeitsphysiologische und ergonomische Studien weisen jedoch darauf hin, dass Muskelüberlastung zu Ermüdung (dh Abnahme der Arbeitsfähigkeit) führt und die Produktivität und Arbeitsqualität verringern kann.

Die Prävention einer Muskelüberlastung kann sich auf den Arbeitsinhalt, das Arbeitsumfeld und den Arbeitnehmer beziehen. Die Belastung kann durch technische Mittel angepasst werden, die sich auf das Arbeitsumfeld, die Werkzeuge und/oder die Arbeitsweise konzentrieren. Der schnellste Weg, die muskuläre Belastung zu regulieren, ist die individuelle Flexibilisierung der Arbeitszeit. Das bedeutet, Arbeits- und Ruhezeiten zu entwerfen, die die Arbeitsbelastung sowie die Bedürfnisse und Fähigkeiten des einzelnen Arbeitnehmers berücksichtigen.

Statische und sich wiederholende Muskelarbeit sollte auf ein Minimum beschränkt werden. Gelegentliche schwere dynamische Arbeitsphasen können zur Aufrechterhaltung einer ausdauerähnlichen körperlichen Fitness sinnvoll sein. Die wahrscheinlich nützlichste Form der körperlichen Aktivität, die in einen Arbeitstag integriert werden kann, ist zügiges Gehen oder Treppensteigen.

Die Verhinderung einer Muskelüberlastung ist jedoch sehr schwierig, wenn die körperliche Fitness oder die Arbeitsfähigkeiten eines Arbeiters schlecht sind. Ein angemessenes Training verbessert die Arbeitsfertigkeiten und kann die Muskelbelastung bei der Arbeit reduzieren. Auch regelmäßige körperliche Betätigung während der Arbeit oder in der Freizeit erhöht die Muskel- und Herz-Kreislauf-Kapazitäten des Arbeitnehmers.

Zurück